《Bioresource Technology》：Generalists and specialists in industrial wastewater treatment system: Niche differentiation shapes distinct bacterial diversity and assembly patterns
编辑推荐：
•
在Integrated Wastewater Treatment Plants (IWWTPs)中，专家型微生物（specialists）的分散受到更强的限制，而通用型微生物（generalists）的分散限制则相对较小。
•
专家型微生物通常采用r-策略（
- •
在Integrated Wastewater Treatment Plants (IWWTPs)中，专家型微生物（specialists）的分散受到更强的限制，而通用型微生物（generalists）的分散限制则相对较小。
- •
专家型微生物通常采用r-策略（r-strategists），而通用型微生物则采用K-策略（K-strategists）。
- •
包括Thauera和Acinetobacter在内的属被确定为生物标志物（biomarkers）。
- •
在缺氧（anoxic）和有氧（oxic）处理池中，通用型微生物和专家型微生物分别与污染物去除效果呈现更强的正相关关系。
引言
废水处理厂（WWTPs）中的微生物对废水净化至关重要，这对保护公众和环境健康具有决定性作用（Wu et al., 2019）。了解本土微生物群落的组成模式对于提高WWTPs系统的稳定性和性能非常重要（Dueholm et al., 2022）。目前关于WWTPs微生物群落的研究主要集中在市政WWTPs（MWWTPs）上（Dottorini et al., 2021）。与以生活污水为主、有机负荷和营养比例相对稳定的市政废水相比，工业废水具有复杂的成分、高毒性和难以处理的污染物。不同类型的工业废水表现出不同的水质特征，这可能形成独特的微生物群落。我们对IWWTPs中微生物群落形成过程的认识仍然有限，这阻碍了对微生物生态功能的理解（Smith et al., 2024）。WWTPs可以被视为开放生态系统（Lee et al., 2015），通常基于活性污泥（AS）工艺，不断接收进水（Inf），最终将微生物通过出水（Eff）排出（Saunders et al., 2016）。因此，Inf、AS和Eff共同构成了一个元群落（metacommunity），通过微生物个体从Inf到AS再到Eff的单向连续流动（dispersal）连接起来，这种流动代表了微生物的迁移。全面研究Inf、AS和Eff中的微生物群落对于理解群落形成过程至关重要。
根据不同的扩散能力和环境过滤能力，微生物可以被分类为通用型或专家型（Pandit et al., 2009）。这两种生态策略的区别通常由生态位宽度（niche breadth）决定，生态位宽度反映了物种能够利用的资源、栖息地和环境范围（Sexton et al., 2017）。一些研究已经研究了湖泊（Yan et al., 2022）、海洋（Mo et al., 2021）、土壤生态系统（Xu et al., 2022a）和MWWTPs（Hou et al., 2019）中的通用型和专家型微生物的组成过程，而它们在IWWTPs中的分布模式和功能角色仍不甚清楚。与自然生态系统（如土壤、湖泊或海洋）相比，IWWTPs是具有可控操作参数（如污泥停留时间）的混合工程系统，并且存在单向连续流动（Dottorini et al., 2021）。这种工程化的同质性减少了环境异质性，可能促进生物同质化，导致通用型/专家型微生物的分布模式与自然生态系统中的不同。这代表了IWWTPs中微生物研究的一个关键知识空白。在自然生态系统中，通用型微生物分布广泛，适应能力强，能够在不同类型的IWWTPs和不同处理单元之间扩散；而专家型微生物则局限于特定的栖息地，扩散受到限制，环境耐受性狭窄（Sriswasdi et al., 2017）。基于这种扩散能力的差异，我们提出以下假设：（i）通用型微生物受到的扩散限制应该小于专家型微生物。这一现象在多种生态系统中都得到了实证支持，包括土壤（Xu et al., 2022a）、淡水湖泊（Yan et al., 2022）和城市淡水生态系统（Al et al., 2022），但在全规模的IWWTPs中尚未得到验证。
最近，微生物生态学研究强调了r-K生活史策略框架，以解析细菌类群采用的不同生活策略，其中核糖体RNA操纵子（rrn）的拷贝数作为关键指标（Roller et al., 2016）。r-策略微生物（高rrn拷贝数）生长迅速，但底物利用效率低；而K-策略微生物（低rrn拷贝数）生长缓慢，但资源利用更高效。这一特征尚未在IWWTPs中的通用型/专家型微生物上进行关联研究。由于两组微生物存在生态位宽度的差异，我们进一步提出假设：（ii）通用型微生物和专家型微生物在IWWTPs中表现出不同的生活史策略，从而促进物种共存。
解析生物多样性与生态系统功能之间的关系是微生物生态学中的一个核心课题（Feng et al., 2024）。由于WWTPs是工程系统，我们认为细菌群落与其功能特征之间存在紧密联系。我们进一步假设：（iii）由于生态位宽度的差异，通用型微生物和专家型微生物在污染物去除方面表现出不同的相关模式。为了验证这些假设，我们研究了全规模IWWTPs中细菌通用型与专家型的分布和组成模式。我们的目标是：（i）解析通用型与专家型微生物的多样性模式和群落组成；（ii）揭示它们的r-K生活史策略差异；（iii）探讨它们在污染物去除性能上的不同贡献。
章节片段
样本收集和环境信息
采样于2021年4月在中国浙江省进行。所有处理厂采用相同的AO（缺氧/有氧）工艺，以消除工艺对细菌群落的影响。共收集了11个IWWTPs的132个样本（来自三种不同的废水类型：5个染料WWTPs、4个制药WWTPs、2个农药WWTPs），这些处理厂包含四个通过连续流动连接的单元：进水（Inf）、缺氧区（Ax）、有氧区（Ox）和二次沉淀出水（Eff）（详见补充材料）。
通用型与专家型微生物的多样性模式
共有1,110个（15.13%）、5,610个（76.49%）和614个（8.37%）的ASVs被分类为通用型、机会型（opportunists）和专家型微生物，分别占总序列的12.46%、38.38%和49.16%（表1）。对每个ASV的生态位宽度分析进一步证实了通用型与专家型微生物之间的差异（图1），这是一种经典且广泛认可的区分方法。与预期一致，通用型微生物表现出更宽的生态位宽度……
IWWTPs中通用型与专家型微生物的多样性和组成
与其他生态系统（如城市公园（Li et al., 2024）、海洋（Mo et al., 2021）、土壤（Xu et al., 2022a）相比，IWWTPs中通用型微生物的丰富度高于专家型微生物（图2A；表1）。这可能是因为工程化系统的环境条件相对可控。较低的环境异质性导致了生物同质化，从而增加了通用型微生物的丰富度……
结论
本研究探讨了全规模IWWTPs中通用型与专家型微生物的多样性、分布和组成模式，涵盖了不同类型的废水和所有连续流处理单元。在这种稳定的工程环境中，通用型微生物展现出更高的多样性和群落相似性，而专家型微生物的相对丰度更高。分散限制对专家型微生物的影响大于通用型微生物，这验证了我们的假设。
CRediT作者贡献声明
陈伟东：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件使用、方法学设计、调查、数据分析、概念化。魏杰：方法学设计、调查、数据管理。陈定松：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、软件使用、方法学设计。苏志国：方法学设计、调查、数据管理、概念化。熊福忠：方法学设计、调查、数据分析、概念化。李云峰：
未引用参考文献
Ning et al. (2019).
利益冲突声明
作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益和个人关系：陈伟东报告称获得了福建师范大学的财务支持。如果还有其他作者，他们声明自己没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号42377288、51938001、52170185、52570061）和福建师范大学高性能计算中心（FNU-HPCC）的支持。
陈伟东 | 魏杰 | 陈定松 | 苏志国 | 熊福忠 | 李云峰 | 文东辉
